Document 216802

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»:
Проректор по учебной работе
_______________________ /Л.М. Волосникова
__________ _____________ 2011 г.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ АДСОРБЦИИ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 020100.62 « Химия»
Профиль подготовки «Физическая химия»
Форма обучения очная
«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:
Авторы работы _____________________________/ Н.В. Ларина/
«______»___________2011 г.
Рассмотрено на заседании кафедры
неорганической и физической химии от «__» ____________ 2011 г. протокол № ____
Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.
«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:
Объем 15 стр.
Зав. кафедрой ______________________________/ О.В. Андреев /
«______»___________ 2011 г.
Рассмотрено на заседании УМК
ИМЕНИТ от «__» ____________ 2011 г. протокол № ____
Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы.
«СОГЛАСОВАНО»:
Председатель УМК ________________________/ И.Н. Глухих /
«______»_____________2011 г.
«СОГЛАСОВАНО»:
Зав. методическим отделом УМУ_____________/ С.А. Федорова /
«______»_____________2011 г.
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт математики, естественных наук, информационных технологий
Кафедра неорганической и физической химии
Н.В. Ларина
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ АДСОРБЦИИ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 020100.62«Химия»
Профиль подготовки «Физическая химия»
Форма обучения очная
Тюменский государственный университет
2011
ЛАРИНА Н.В. Теоретические вопросы адсорбции. Учебнометодический комплекс. Рабочая программа для студентов направления
020100.62 «Химия», профиль подготовки «Физическая химия» форма
обучения очная. Тюмень, 2011, 15 стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС
ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю
подготовки.
Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте
ТюмГУ: Теоретические вопросы адсорбции [электронный ресурс] / Режим
доступа: http://www.umk3.utmn.ru., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой неорганической и физической
химии. Утверждено проректором по учебной работе Тюменского
государственного университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: О.В. Андреев ,
заведующий кафедрой неорганической и
физической химии, д-р хим. наук
© Тюменский государственный университет, 2011.
© Ларина Н.В., 2011.
1. Пояснительная записка
Рабочая программа дисциплины «Теоретические вопросы адсорбции»
составлена в соответствии с требованиями к результатам, условиям и
структуре подготовки бакалавров по направлению 020100 «Химия»
Федерального государственного образовательного стандарта высшего
профессионального образования.
1.1. Цели и задачи дисциплины
Цель обучения - формирование представления о научных основах
процесса адсорбции.
Задачи обучения: формирование у студентов
- представлений об особенностях процесса адсорбции на различных
границах раздела;
- представлений о термодинамическом и молекулярно-статистическом
описаниях процесса адсорбции;
- практических навыков по исследованию адсорбции.
1.2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «Теоретические вопросы адсорбции» относится к
дисциплинам по выбору профессионального цикла дисциплин направления
020100.62 «Химия».
Для изучения курса требуются предварительные знания по
неорганической химии и физической химии.
Материал, излагаемый в данном курсе необходим для освоения ряда
специальных дисциплин, таких как физико-химия дисперсных систем,
физико-химические методы водоочистки, а также при выполнении научноисследовательской работы.
1.3.Компетенции выпускника ООП бакалавриата, формируемые в
результате освоения данной ООП ВПО
В соответствии с ФГОС ВПО данная дисциплина направлена на
формирование следующих компетенций:
- общекультурных:
ОК-6 - использует основные законы естественнонаучных дисциплин в
профессиональной деятельности, применяет методы математического
анализа и моделирования, теоретического и экспериментального
исследования;
ОК-9 - владеет основными методами, способами и средствами
получения, хранения, переработки информации, имеет навыки работы с
компьютером как средством управления информацией;
- профессиональных:
ПК-1 - понимает сущность и социальную значимость профессии,
основных перспектив и проблем, определяющих конкретную область
деятельности;
ПК-2 - владеет основами теории фундаментальных разделов
физической химии;
ПК-3 - способен применять основные законы химии при обсуждении
полученных результатов, в том числе с привлечением информационных баз
данных;
ПК-4 - владеет навыками химического эксперимента, основными
методами исследования химических веществ и реакций;
ПК-6 - владеет навыками работы на современной учебно-научной
аппаратуре при проведении химических экспериментов;
ПК-7 - имеет опыт работы на серийной аппаратуре, применяемой в
аналитических и физико-химических исследованиях;
ПК-8 - владеет методами регистрации и обработки результатов
химически экспериментов.
В области воспитания личности целью подготовки является
формирование социально-личностных качеств студентов: целеустремленности, организованности, коммуникативности.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать основные понятия, закономерности, теории, описывающие
процесс адсорбции.
Уметь: ориентироваться в особенностях процесса адсорбции на
различных границах раздела; использовать полученные знания, для решения
научных и прикладных задач.
Владеть: основными методами исследования адсорбции, методиками
представления результатов эксперимента.
2. Структура и трудоемкость дисциплины.
Итого
количество
баллов
Самостоятельная
работа*
Итого
часов
по
теме
Лабораторные
занятия
1
Виды учебной работы и
самостоятельная
работа, в час.
Лекции*
Тема
недели семестра
№
из них в интерактивной
форме, в час.
Семестр 5. Основной материал курса излагается в цикле лекций.
Методы решения конкретных задач изучаются в ходе лабораторных занятий.
Контроль за развитием перечисленных знаний, навыков и умений
осуществляется с помощью нескольких форм.
Для текущего контроля предусмотрены коллоквиумы и контрольные
работы.
Итоговый контроль осуществляется посредством:
- рейтинг-листа, суммирующего показатели по всем видам текущего
контроля;
- семестрового зачета.
Общая трудоёмкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы,
108 часов.
3. Тематический план
Таблица 1.
3
4
5
6
7
8
9
1-2
3-6
2
4
12
6
12
4
8
28
33
6
12
18
4
36
33
2
4
4
8
10
12
2
4
16
24
5
27
6
12
22
6
40
32
1318
6
12
14
6
32
35
Всего
Итого (часов, баллов):
из них часов в интерактивной форме
6
18
6
12
36
10
14
54
6
32
108
35
0 – 100
2
Модуль 1
1. Введение
2. Теории адсорбции газов и
паров на однородной и
неоднородной поверхности
Всего
Модуль 2
1. Термодинамика адсорбции
2. Молекулярно-статистическая
теория адсорбции
Всего
Модуль 3
1. Адсорбция из растворов
7-8
912
16
Таблица 2.
Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля
№
Формы текущего контроля
(баллы)
ВыполнеОтчеты
КонтрольКоллоквиние
по
ные
ум
лабораторработам
работы
ных работ
Название темы
Введение
Теории адсорбции
газов и паров на
однородной и
неоднородной
поверхности
Всего
1.
2.
-
0 -8
0-8
Термодинамика
адсорбции
2. Молекулярностатистическая
теория адсорбции
Всего
1.
Адсорбция
растворов
Всего
1
ИТОГО:
0-6
0-6
Модуль 2
-
-
-
0-9
0-10
33
0-9
0-10
33
-
0–2
0-3
-
5
0–7
0-4
0-6
0 – 10
27
0-9
0-10
32
0-7
из
Модуль 1
-
Итого
баллов
0-6
Модуль 3
0 – 10
0–6
0-9
0-10
35
0-10
0-6
0-9
0-10
35
0-25
0-18
0-27
0-30
100
Таблица 3.
Планирование самостоятельной работы студентов
№
Модули и темы
1.
Введение
2.
Теории адсорбции
газов и паров на
однородной и
неоднородной
поверхности
Виды СРС
обязательные
дополнительные
Модуль 1
Работа с
Работа с
учебной
вопросами для
литературой.
самоконтроля.
Оформление
Работа с
лабораторных вопросами для
отчетов.
самоконтроля.
Подготовка к
Подготовка к
коллоквиуму.
контрольной
работе.
Неделя
семестра
Объем
часов
Кол-во
баллов
1-2
6
-
3-6
12
33
18
33
7-8
10
5
9-12
12
27
22
32
14
35
14
54
35
100
Всего по модулю 1:
1
2
1
Модуль 2
Термодинамика
Оформление
Работа с
адсорбции
лабораторных вопросами для
отчетов.
самоконтроля.
МолекулярноОформление
Работа с
статистическая теория лабораторных вопросами для
адсорбции
отчетов.
самоконтроля.
Подготовка к Подготовка к
коллоквиуму.
контрольной
работе.
Всего по модулю 2:
Модуль 3
Адсорбция
из Оформление
Работа с
растворов
лабораторных вопросами для
отчетов.
самоконтроля.
Подготовка к
Подготовка к
коллоквиуму.
контрольной
работе.
Всего по модулю 3:
ИТОГО:
13-18
4.
Разделы
дисциплины
и
междисциплинарные
обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№
п/п
1.
2.
3.
Наименование
обеспечиваемых
(последующих)
дисциплин
Физико-химия
дисперсных систем
Физико-химические
методы водоочистки
Научноисследовательская работа
5.
связи
Темы дисциплины необходимых для изучения
обеспечиваемых (последующих) дисциплин
Теории адсорбции Термодинами Адсорбция
газов и паров на
ка адсорбции растворов
однородной и
неоднородной
поверхности
+
+
+
с
из
+
+
+
+
Содержание дисциплины.
Модуль 1.
ТЕМА 1. Введение
Основные понятия: адсорбция, физическая адсорбция, хемосорбция,
адсорбент, адсорбат. Типы адсорбционных взаимодействий: дисперсионное,
индукционное,
электростатическое
ориентационное,
кулоновское,
водородная связь, донорно-акцепторное. Классификация адсорбентов по
химической природе и геометрической структуре. Классификация
адсорбентов по их способности к разным видам межмолекулярного
взаимодействия.
ТЕМА 2. Теории адсорбции газов и паров на однородной и
неоднородной поверхности
Однородные и неоднородные поверхности адсорбентов. Теории
локализованной адсорбции газов и паров на однородной поверхности.
Изотермы адсорбции газов. Закон Генри. Мономолекулярная адсорбция.
Изотерма адсорбции Ленгмюра. Адсорбция смеси газов. Зависимость
адсорбции от температуры. Теория полимолекулярной адсорбции БЭТ.
Делокализованная адсорбция на однородной твердой поверхности.
Уравнение состояния монослоя. Уравнение Хилла-де-Бура. Уравнение
Фольмера. Изотермы делокализованной адсорбции.
Геометрическая и химическая неоднородность адсорбентов. Адсорбция
газов и паров на пористых телах. Влияние размеров пор на адсорбцию паров.
Адсорбция паров в тонких порах сорбентов. Потенциальная теория Поляни.
Применение теории Поляни для расчета изотерм при различных
температурах и для разных паров. Коэффициенты афинности. Уравнение
Дубинина-Радушкевича.
Теория капиллярной конденсации. Теория объемного заполнения
микропор.
Модуль 2.
ТЕМА 1. Термодинамика адсорбции
Адсорбционное уравнение Гиббса. Метод избытков Гиббса: достоинства
и
проблемы.
Метод
полного
содержания.
Интегральные
и
дифференциальные термодинамические характеристики адсорбции, связь
между ними. Изостеры адсорбции. Изостерические и калориметрические
теплоты адсорбции. Методы определения теплоты, энтропии адсорбции.
ТЕМА 2. Молекулярно-статистическая теория адсорбции
Основные соотношения статистической термодинамики. Простейшая
молекулярная модель избыточной адсорбции на гладкой поверхности без
участия взаимодействия адсорбат-адсорбат. Вывод общего уравнения
адсорбции в предположении инертности адсорбента. Решеточные модели
адсорбции. Модель Ленгмюра. Адсорбционный вариант модели Изинга.
Вывод уравнения БЭТ с помощью решеточной модели.
Расчет потенциальной энергии взаимодействия молекулы адсорбата с
твердым адсорбентом. Атом-атомные потенциалы. Зависимость атоматомных потенциалов межмолекулярного взаимодействия от электронной
конфигурации атома в молекуле. Молекулярно-статистические расчеты
констант Генри для адсорбции молекул различной природы на
кристаллических адсорбентах (графитированная сажа). Сравнение теории и
эксперимента. Решение обратной задачи: определение параметров структуры
молекул из экспериментальных значений констант Генри. Расчет вириальных
коэффициентов по экспериментальным адсорбционным данным.
Модуль 3.
ТЕМА 1. Адсорбция из растворов
Взаимное вытеснение компонентов раствора с поверхности адсорбента.
Конкурирующая адсорбция. Закон Ребиндера. Уравнения изотерм адсорбции
из растворов. Константа адсорбционного равновесия. Изотермы гиббсовской
адсорбции и полной адсорбции (адсорбции, выраженной в мольных долях)
для сильно и слабо адсорбирующихся компонентов раствора. Адсорбционная
азеотропия. Селективность адсорбции. Влияние на адсорбцию из растворов
природы поверхности, размеров пор адсорбента, температуры. Адсорбция
поверхностно-активных веществ. Адсорбция неионогенных поверхностноактивных веществ. Адсорбция электролитов. Адсорбция ионогенных
поверхностно-активных веществ. Изотермы адсорбции ионов. Ионообменная
адсорбция. Методы изучения адсорбции из растворов.
6.
Темы лабораторных занятий
1.Изучение адсорбции ПАВ на границе раствор-воздух
2.Исследование адсорбции ПАВ на границах раздела твердое телораствор, раствор-воздух.
3.Определение изостерических теплот адсорбции ПАВ на границе раздела
раствор-воздух.
4. Определение активности углей по теплоте смачивания.
5. Исследование адсорбции водных растворов уксусной кислоты на
активированном угле статическим методом.
6. Изучение адсорбции карбоновых кислот из водных растворов на
силикагеле кондуктометрическим методом.
7. Измерение теплоты адсорбции предельных углеводородов на газовом
аналитическом хроматографе.
8.Избирательность адсорбции. Влияние растворителя на адсорбцию.
9.Ионообменная адсорбция.
7. Учебно - методическое обеспечение самостоятельной работы
студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
Рабочей программой дисциплины «Теоретические вопросы адсорбции»
предусмотрена самостоятельная работа студентов в объеме 54 часов.
Студентам предлагаются следующие формы самостоятельной работы:
написание лабораторных отчетов, подготовка к лабораторным занятиям,
коллоквиумам, контрольным работам, зачету.
Вопросы для самоконтроля и подготовки к зачету
1. Дайте определения понятиям: адсорбция, адсорбент, адсорбат.
2. Какова природа сил, вызывающих физическую адсорбцию?
3. В чем заключается движущая сила адсорбции? Как количественно
характеризуют адсорбцию?
4. Классификация адсорбентов, предложенная Дубининым М.М.
5. Классификация адсорбентов, предложенная Киселевым А.В.
6. Метод избытков Гиббса. Приведите основные соотношения этого
метода.
7. В чем различие между полной (абсолютной) адсорбцией и избыточной
адсорбцией? Назовите размерности этих характеристик.
8. Приведите вывод уравнения изотермы Ленгмюра. При каких
допущениях оно применимо?
9. При каких условиях уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра
переходит в уравнение Генри?
10.Какой вид будет иметь уравнение изотермы адсорбции компонента из
смеси в предположении, что выполняется изотерма Ленгмюра?
11.Что такое полимолекулярная адсорбция?
12.Как выглядят изотермы полимолекулярной адсорбции?
13.Какие допущения были использованы при выводе уравнения БЭТ?
14.В чем физический смысл констант в уравнении БЭТ, как их можно
определить?
15.В чем преимущества уравнения БЭТ перед другими уравнениями
изотерм адсорбции?
16.Расскажите о методах определения адсорбции газов и паров.
17. Приведите формулу для расчета удельной поверхности адсорбента с
использованием величины предельной адсорбции и поясните
характеристики, входящие в нее.
18.В чем заключаются различия между адсорбцией в двух предельных
состояниях, характеризующие переход от однородной поверхности к
неоднородной?
19.Запишите уравнение Хилла-де-Бура. Что оно описывает?
20.В каких случаях уравнение Хилла-де-Бура переходит в уравнение
Фольмера?
21.Какой вид имеют изотермы делокализованной адсорбции?
22.Назовите критерии соответствия модельных изотерм адсорбции
экспериментальным изотермам.
23.К каким адсорбентам применима теория Поляни? В чем ее сущность и
каковы основные положения?
24.Каковы особенности характеристической кривой адсорбента? Что
означает аффинность характеристических кривых?
25.Капиллярная конденсация и особенности ее протекания в пористых
адсорбентах.
26. В каких случаях необходимо учитывать капиллярную конденсацию
при адсорбционных процессах?
27.Уравнение изотермы адсорбции в теории объемного заполнения пор.
28.Выведите адсорбционное уравнение Гиббса. Укажите области его
применения.
29.Поясните термины «изотерма адсорбции», «изобара адсорбции» и
«изостера адсорбции». Какие зависимости они выражают?
30.Как
определяют
изостерическую,
чистую,
интегральную,
дифференциальную теплоты адсорбции? Как они связаны между
собой?
31.Из каких зависимостей рассчитывают энергетические параметры
адсорбции (изменение энергии Гиббса, энтальпии, энтропии)?
32.Можно ли рассчитать энтальпию адсорбции из уравнения КлапейронаКлаузиуса (в газовой фазе) или уравнения растворимости (в жидкой
фазе)?
33.Как изменяется при адсорбции свободная энергия системы?
34.Запишите выражения для интегральной и дифференциальной энергии
при адсорбции.
35.Как определить дифференциальную работу адсорбции?
36.Выведите общее уравнение изотермы адсорбции в предположении
инертности адсорбента.
37.Дайте определение понятию «решеточные модели адсорбции» В чем их
особенность и недостаток?
38.Выведите уравнение изотермы адсорбции Ленгмюра с помощью
решеточной модели.
39.Одномерная и двумерная модель Изинга. Возможен ли расчет
комбинаторного фактора в двумерной модели без введения
приближений?
40. Выведите уравнение БЭТ с помощью решеточной модели.
Проанализируйте полученное решение.
41.Применение уравнений с вириальными коэффициентами для описания
экспериментальных изотерм и теплот адсорбции.
42.Получите общее уравнение изотермы адсорбции из бинарных
растворов. Проанализируйте данное уравнение.
43.Какой вид имеют изотермы гиббсовской адсорбции и полной
адсорбции для сильно и слабо адсорбирующихся компонентов
раствора?
44.Какое явление называют адсорбционной азеотропией?
45.Какие факторы влияют на адсорбцию из растворов?
46.Какие уравнения описывают изотермы адсорбции неионогенных
поверхностно-активных веществ?
47.Какие особенности имеют изотермы адсорбции ионогенных
поверхностно-активных веществ?
48.В чем сущность ионообменной адсорбции? Каково ее практическое
значение?
49.Какие вещества называются катионитами и анионитами? Приведите
примеры ионообменных адсорбентов. Назовите их активные группы.
50.Какими экспериментальными методами применяют для изучения
адсорбции из растворов?
8. Образовательные технологии
В соответствии с требованиями ФГОС при реализации различных
видов учебной работы в процессе изучения дисциплины «Теоретические
вопросы адсорбции» используются следующие активные и интерактивные
формы проведения занятий:
 лекции;
 лабораторные занятия;
 дополнительные консультации.
Кроме того используются дополнительные формы обучения по
отдельным темам:
 текущая проверка знаний;
 взаимный контроль студентов по разработанным ими тестам;
 выполнение индивидуальных заданий; взаимообмен заданиями.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
9.1.
Основная литература:
1. Киселев А.В. Межмолекулярные взаимодействия в адсорбции и
хроматографии. М.: Высшая школа, 1986. – 360 с.
2. Лопаткин А.А. Теоретические основы физической адсорбции. М.:
Изд-во Моск. ун-та, 1983. - 344 с.
3. Адсорбция из растворов на поверхностях твердых тел: Пер. с англ./
Под ред. Г. Парфита, К. Рочестера. М. :Мир, 1986. – 488 с.
9.2.
Дополнительная литература:
1. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М.:
Мир, 1984 – 310 с.
2. Куприн В.П., Щербаков А.В. Адсорбция органических соединений на
твердой поверхности. Киев: Наукова думка, 1996. – 162 с.
3. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. М.: Химия, 1988. – 464 с.
4. Герасимов Я.И. и др. Курс физической химии. М.: Госхимиздат, 1969.
Т.1. - 624 с.
5. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. М.: Химия, 1984. –
592 с.
6. Ролдугин
В.И.
Физикохимия
поверхности.
Долгопрудный:
Издательский Дом «Интеллект», 2008. – 568 с.
10.
Технические средства и материально-техническое обеспечение
дисциплины
В учебном процессе для
следующие технические средства:
освоения
дисциплины

мультимедийное оборудование (на лекциях);

химическая лаборатория, химические реактивы;
используются
 приборы и оборудование учебного назначения (при выполнении
лабораторных работ).